1

Ć

wiczenie 4. Ocena efektywności oczyszczania ścieków w modelowym

systemie „złoża biologicznego”

1.

Wprowadzenie

Złoża biologiczne są urządzeniami służącymi do biologicznego oczyszczania ścieków

w warunkach tlenowych, anoksycznych, bądź beztlenowych. W niniejszym opracowaniu
omówione zostały złoża pracujące w warunkach tlenowych.

W budowie złoża biologicznego można wyróżnić:
–

warstwę wypełnienia,

–

ś

cianę lub siatkę boczną otaczającą warstwę wypełnienia,

–

konstrukcję stanowiącą dno i podtrzymującą wypełnienie,

–

instalacje: doprowadzające oraz odprowadzające ścieki oczyszczone,

–

systemy zapewniające natlenienie ścieków.

Model złoża biologicznego przedstawia rysunek 1.

Rys. 1. Przekrój przez złoże biologiczne: 1- instalacja rozprowadzająca ścieki, 2-

wypełnienie, 3- ściana boczna, 4- odprowadzenie ścieków, 5- ruszt, 6- otwory
wentylacyjne, 7- kanał odprowadzający ścieki, 8- odpływ ścieków

Oczyszczanie na złożu biologicznym jest naśladownictwem i intensyfikacją procesów

samooczyszczania zachodzących głównie w środowisku w glebowym. Oczyszczanie polega
na przepuszczaniu ścieków przez warstwę wypełnienia, na którym rozwinęły się
mikroorganizmy, tworząc śluzowatą otoczkę, zwaną błoną biologiczną. Pokrywająca
wypełnienie błona biologiczna, w której panują warunki tlenowe, jest grubości 2 - 3 mm. Do
głębszych warstw błony rozwijającej się na wypełnieniu dyfuzja tlenu jest już ograniczona.
Mikroorganizmy zasiedlające błonę tworzą zgodnie z kierunkiem przepływu ścieków,
charakterystyczne dla systemu saprobów strefy poli-,

α

-mezo- i

β

-mezosaprobowe.

Oczyszczanie ścieków opiera się na wielu procesach fizycznych, chemicznych i

biochemicznych. W wyniku tych procesów usuwane są ze ścieków zanieczyszczenia w
postaci stałej, koloidalnej i rozpuszczonej. Najważniejsze z nich to adsorpcja i biokoagulacja,
a następnie biochemiczne utlenianie substratu organicznego. W pierwszej fazie procesu
zatrzymane na powierzchni błony biologicznej zanieczyszczenia są tak przekształcane, aby
jako produkty enzymatycznej hydrolizy organicznego substratu mogły wnikać do komórek
mikroorganizmów. W drugiej fazie procesu przekształcone drobiny ulegają dalszym
przemianom już w komórkach mikroorganizmów. Zaś w trzeciej fazie część z tego

1

2

3

4

5

6

2

przekształconego substratu ulega bezpośredniemu biochemicznemu utlenieniu, a pozostała
jest asymilowana w postaci biomasy, z której z kolei pewna część ulega autooksydacji.
Usuwanie z błony produktów metabolizmu mikroorganizmów następuje w procesie dyfuzji
do ścieków i powietrza lub przez wypłukiwanie wraz z obumarłą i nadmierną błoną
biologiczną.

Warunkiem prowadzenia procesu na złożach biologicznych jest:

–

posiadanie złoża zasiedlonego odpowiednią mikroflorą,

–

doprowadzenie substratu organicznego pozbawionego substancji hamujących

wzrost mikroorganizmów,
–

zapewnienie odpowiedniego stosunku pomiędzy ilością substratu a

zapotrzebowaniem mikroorganizmów na substancje odżywcze, zapewnienie
odpowiednich warunków tlenowych

Złoża tarczowe (ZT) są szczególnym rodzajem złóż biologicznych. Konstruowane są w
formie tarcz zamontowanych na wspólnej osi poziomej. Podczas zanurzania następuje kontakt
błony biologicznej ze ściekami, a podczas wynurzania natlenianie błony. Obecnie złoża
tarczowe są wykonywane najczęściej z tworzyw sztucznych, pojedyncze tarcze w systemach
oczyszczania posiadają średnicę do 4 m i długość wału obrotowego do 8 m. Obciążenie
hydrauliczne dla złóż obrotowych zależy od ich przeznaczenia, czy służą do usuwania węgla
organicznego czy nitryfikacji. Schemat modelowego złoża tarczowego przedstawia rysunek 2.

Dopływ

Odpływ

tarcze

Z

Z

ł

ł

o

o

ż

ż

e tarczowe

e tarczowe

Rys. 2. Schemat modelowego złoża tarczowego: 1-wypełnienie, 2-silnik elektryczny,
3-zbiornik

Ostatnio prowadzi się również badania nad wykorzystaniem ZT do prowadzenia biologicznej
denitryfikacji (redukcje powstałych azotynów i azotanów do azotu gazowego N

2

). W celu

zintensyfikowania procesu denitryfikacji stosuje się tzw. zewnętrzne źródło węgla
organicznego, którym może być metanol, kwas octowy lub niektóre ścieki z przemysłu
spożywczego (mleczarskiego, gorzelniczego).
Na pracę złóż biologicznych mają wpływ zarówno rodzaj, jak i stężenie zanieczyszczeń.
Rodzaj doprowadzanych zanieczyszczeń istotny jest ze względu na możliwość występowania
substancji wykazujących działanie toksyczne. Również temperatura i odczyn mogą wpływać
na proces biologicznego oczyszczania. Trudno rozkładalne związki organiczne wymagają
dłuższego czasu kontaktu z błoną biologiczną, co uzyskiwane jest przez zmniejszenie

3

obciążenia,

zwiększenie

wysokości

złoża,

recyrkulację

czy

zastosowanie

złóż

wielostopniowych.

Obciążenie hydrauliczne

Obciążenie hydrauliczne O

h

wyraża ilość ścieków przypadającą na jednostkę powierzchni lub

objętości w jednostce czasu.

]

/

[

2

3

d

m

m

F

Q

O

H

=

gdzie: F – łączna powierzchnia tarcz, m

2

;

Obciążenie hydrauliczne, obok rodzaju wypełnienia oraz wysokości złoża, decyduje o czasie
kontaktu składników ścieków z błoną biologiczną. Przy niezmiennych pozostałych
parametrach pracy złóż efekt oczyszczania zależeć będzie od stosowanego obciążenia
hydraulicznego. Odpowiednio dobrane obciążenie hydrauliczne nie dopuszcza do zarastania,
a przez to do pogorszenia pracy złoża. Spotykane obciążenia hydrauliczne mieszczą się
w przedziale 0,04 -5,0 m

3

/m

2

h.

Obciążenie złoża ładunkiem zanieczyszczeń

Obciążenie złoża ładunkiem zanieczyszczeń (substratowe) O

v

wyraża ładunek zanieczyszczeń

wyrażony w g/d lub w kg BZT

5

/d przypadający na jednostkę objętości złoża.

O

v

[gBZT

5

/m

3

d]

Z teorii pracy złóż wynika, że dla każdego złoża istnieje pewien optymalny zakres obciążeń
ładunkiem zanieczyszczeń, przy zachowaniu stałego obciążenia hydraulicznego, zapewniając
zachowanie tlenowych warunków w błonie biologicznej. Po przekroczeniu obciążenia
krytycznego obok strefy tlenowej pojawia się również strefa beztlenowa, która przy dalszym
wzroście obciążenia zaczyna dominować, tak że w złożu zachodzą wyłącznie procesy
beztlenowe. Każde przejście z jednej strefy do drugiej wiąże się ze spadkiem efektywności
pracy złoża, jakkolwiek w obrębie danej strefy sprawność oczyszczania jest zbliżona i
niezależna od obciążenia. Najczęściej spotykane obciążenia substratowe mieszczą się w
przedziale 225-8000 gBZT

5

/m

3

d.

Obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń powierzchni tarcz A

F

]

/

[

2

5

d

m

gBZT

F

Q

C

A

O

F

⋅

=

gdzie: C

0

– stężenie BZT

5

w dopływających ściekach.

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania modelowego złoża
tarczowego oraz wyznaczenie parametrów pracy tego systemu.

3.Wykonanie ćwiczenia

Zapoznać się z modelowym złożem tarczowym.

4

Grupa studencka dzieli się na zespoły 4-5 osobowe, z których każdy będzie wykonywał dane
oznaczenia zanieczyszczeń w dopływających ściekach jak również w ściekach odpływających
z systemu.

Tabela 1. Zakres i metody oznaczeń

Oznaczenie

Metoda oznaczenia

Szybkość dopływu ścieków
surowych

Ustalić intensywność dopływu ścieków na złoże (pobierając ścieki
surowe do cylindra miarowego o pojemności 100 cm

3

w ciągu 15 minut).

F

Pomiar powierzchni tarcz ZT, miara

pH

Papierek lakmusowy Merck, lub pH- metr

ChZT

standardowa metoda dwuchromianowa

Azot amonowy

metoda kolorymetryczna (z wersenianem sodowym i odczynnikiem
Nesslera) SPEKOL 11 firmy Carl Zeiss Jena lub spectrophotometr S106

Azot azotynowy

metoda kolorymetryczna (z kwasem sulfanilowym i alfanaftyloaminą)

SPEKOL 11 firmy Carl Zeiss Jena lub spectrophotometr S106

Azot azotanowy

metoda kolorymetryczna, SPEKOL 11 firmy Carl Zeiss Jena
spectrophotometr S106

Fosforany

metoda kolorymetryczna (z kwasem askorbinowym i odczynnikiem
mieszanym) spectrophotometr S106

Pobrane próbki przefiltrować na filtrze twardym w celu usunięcia zawiesin. W filtracie należy
oznaczyć zanieczyszczenia wg. metodyki podanej w Tabeli 1.

UWAGI!

Do każdego oznaczenie należy przygotować próbkę referencyjna tzw; „ślepa” na wodzie
destylowanej.

Wyniki analiz zespołów studenckich należy zebrać tabeli 2.

Tabela 2 Wybrane wskaźniki ścieków surowych i oczyszczonych

Oznaczenia

Jednostki

Ś

cieki

surowe

Ś

cieki

oczyszczo

ne

Stopień

usunięcia

[%]

Norma

ChZT

[mgO

2

/dm

3

]

Azot amonowy

[mgN-NH

4

+

/dm

3

]

Azot azotynowy

[mgN-NO

2

-

/dm

3

]

-

Azot azotanowy

[mgN-NO

3

-

/dm

3

]

-

Fosfor

[mg P/dm

3

]

*BZT

5

[mgO

2

/dm

3

]

*Biochemiczne Zapotrzebowanie na Tlen (frakcja zw. organicznych rozkładalna biologicznie) dla ścieków
surowych przyjąć BZT

5

= 0.8 ChZT, dla ścieków oczyszczonych przyjąć BZT

5

= 0.1 ChZT
















5

Dodatkowo, na podstawie otrzymanych wyników analiz oraz pomiarów należy obliczyć
wybrane parametry technologiczne modelowego systemu zebrane w tabeli 3

Tabela 3. Parametry technologiczne modelowego systemu

Parametr

Jednostki

Wartość

obliczona

Wartość

literaturowa

Nazwa systemu

Objętość całkowita

systemu ZT

[m

3

]

Intensywność dopływu

ś

cieków

[m

3

/d]

-

-

Obciążenie hydrauliczne

reaktora ZT

[m

3

/m

3

*h]

-

-

Obciążenie złoża

ładunkiem

zanieczyszczeń

[g BZT

5

/m

3

*d]

Obciążenie ładunkiem

zanieczyszczeń

powierzchni tarcz

[g BZT

5

/m

2

*d]

Czas zatrzymania w

reaktorze ZT

[h]

4.Opracowanie wyników

Sekcje 4-5 osobowe opracowują wyniki na podstawie parametrów zebranych w Tabela 2 i 3.

4.1 Dokonaj oceny efektywności biologicznego oczyszczania ścieków (usuwania

zanieczyszczeń organicznych ChZT, BZT

5

oraz N i P) w modelowym systemie w oparciu o

dane literaturowe [1].

4.2. Przeprowadź dyskusję wyników zmian zanieczyszczeń w ze zwróceniem uwagi na

procesy biologiczne tam zachodzące (nitryfikacja, usuwanie związków organicznych)

4.3. Przeprowadź dyskusję wyznaczonych parametrów technologicznych porównując je z

danymi literaturowymi (załącznik 1). W zależności od obciążenia hydraulicznego dokonaj

klasyfikacji złóż.

5. Literatura

1. „Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 (Dz.U.06.137.984.) w sprawie
warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w
sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego.
2. „Biotechnologia ścieków” - praca zbiorowa pod redakcją Korneliusza Mikscha;
wydawnictwo Politechniki Śląskiej; Gliwice 2000 r.

6

3.„Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków” – praca zbiorowa pod redakcją Z.
Dymaczewskiego, J. Oleszkiewicza, M Sozańskiego ; Poznań 1997 r.

6. Pytania kontrolne:

1.

Na czym polega oczyszczanie ścieków w systemach złoż biologicznych?

2.

Jaki wpływ ma pH i temperatury na proces oczyszczania?

3.

Jakie charakterystyczne strefy „saprobów” można zauważyć zgodnie z kierunkiem

przepływu ścieków na złożach biologicznych?

4.

Wymień różnice między oczyszczaniem metodą osadu czynnego a metodami złóż

biologicznych.

5.

Opisz sposób pobierania pokarmu i tlenu przez mikroorganizmy immobolizowane na

suporcie złoża tarczowego.

6.

Co to jest błona biologiczna?

7.

Dlaczego w procesach biologicznego oczyszczania ścieków miejskich wykorzystuje się

zawsze mieszane populacje mikroorganizmów?

8.

Na czym polega proces denitryfikacji?

7. Uwagi dodatkowe

Zaliczenie ćwiczenia:

Sekcje 4-5 osobowe przygotowują 1 sprawozdanie (instrukcja punkt 4)

UWAGA!

Terminy obron do 2 tygodni od daty wykonanego ćwiczenia!!!

7

Załącznik 1

Zestawienie stosowanych obciążeń, wysokości i efektów oczyszczania nazłożach
biologicznych

Rodzaj złoża

Obciążenie

substratowe
[BZT

5

/m

3

d]

Obciążenie

hydrauliczne

[m

3

/m

2

h]

Efekty

oczyszczania

[%]

Złoże niskoobciążone

(konwencjonalne)

≤

400

0,04-0,144

85-90

Złoże średnio obciążone

640

0,222

80-85

Złoże wysoko obciążone

640-1600

1,08-1,44

75-80